基于重疊調(diào)制的自適應(yīng)編碼協(xié)作通信.doc

第11A期孫岳等：基于重疊調(diào)制的自適應(yīng)編碼協(xié)作通信65基于重疊調(diào)制的自適應(yīng)編碼協(xié)作通信孫岳，李穎，王新梅（西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071）摘 要：提出了一種新的自適應(yīng)編碼協(xié)作傳輸分集方式，協(xié)作用戶基于基站的有限反饋，選擇性地將中繼信號(hào)與本地信號(hào)進(jìn)行重疊調(diào)制，基站對(duì)接收到的信號(hào)采用多用戶檢測(cè)然后譯碼。在相同的系統(tǒng)帶寬和發(fā)送總功率下，與傳統(tǒng)的協(xié)作傳輸方式相比，該方式下用戶的發(fā)送功率可以在本地信號(hào)和中繼信號(hào)間得到有效的分配。瑞利塊衰落信道下的性能仿真表明，該方式下的系統(tǒng)性能可獲得有效提高。此外對(duì)信號(hào)重疊系數(shù)對(duì)協(xié)作系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：協(xié)作通信；傳輸分集；重疊調(diào)制；塊衰落信道中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-436X(2008)11A-0062-04Adaptive coded cooperative communication basedon superposition modulationSUN Yue, LI Ying, WANG Xin-mei(State Key Lab of Integrated Service Network, Xidian University, Xian 710071, China)Abstract: A new coded cooperative diversity scheme based on adaptive superposition modulation was presented. Each user superposed the relay and the local signals adaptively on the basis of the limited feedback of the destination. Multiuser detection was adopted at the destination before decoding. Compared with traditional cooperative scheme, the power could be allocated between the relay and local signals effectively. Simulation results show that the performance can be improved high on the block Rayleigh fading channel in the same system bandwidth and transmitting power. Furthermore, the effect of superposition coefficient on the system performance was analyzed.Key words: cooperative communication; transmit diversity; superposition modulation; block fading channel1 引言收稿日期：2008-09-10基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（2007AA01Z215）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60502046）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目（B08038）Foundation Items: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2007AA01Z215); The National Natural Science Foundation of China(60502046); National 111 Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (B08038)無(wú)線通信中多天線（MIMO）技術(shù)可提高系統(tǒng)的容量以及獲得傳輸分集。MIMO技術(shù)可以有效地應(yīng)用到蜂窩網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)，但是由于受到體積、成本或硬件等因素的限制，移動(dòng)終端并不適于多天線技術(shù)。例如無(wú)線ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等。因?yàn)檫@些限制，最新無(wú)線領(lǐng)域中的傳輸分集研究主要集中于協(xié)作通信的研究。單天線用戶通過(guò)共享自己的天線和其他無(wú)線資源，可構(gòu)成一個(gè)虛擬的多天線協(xié)作系統(tǒng)。協(xié)作分集被廣泛認(rèn)為是一種抵抗移動(dòng)衰落信道中衰落影響的有效方式。協(xié)作通信大致可以歸為下列三種模式：放大中繼模式、檢測(cè)中繼模式和編碼協(xié)作模式。Nosratinia等第一次研究了基于RCPC碼的編碼協(xié)作通信方式1，證明了將經(jīng)典的信道編碼和協(xié)作分集相結(jié)合在各種信道狀態(tài)下可顯著地改善系統(tǒng)的性能，并對(duì)編碼協(xié)作通信的理論性能進(jìn)行了分析。 Larsson等研究了基于信號(hào)重疊調(diào)制的無(wú)線傳輸分集技術(shù)3。文獻(xiàn)4,5在他們的基礎(chǔ)上提出了基信號(hào)重疊調(diào)制的編碼協(xié)組分集方式。本文給出了一種新的信號(hào)重疊編碼協(xié)作通信模式，通過(guò)協(xié)作通信中基站對(duì)協(xié)作用戶引入有限的反饋，協(xié)作用戶可自適應(yīng)的將中繼信號(hào)與自己的本地信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重疊調(diào)制，使得用戶總功率在兩用戶信號(hào)間得到有效的分配。這樣編碼協(xié)作系統(tǒng)的性能會(huì)得到很大提升。2 系統(tǒng)模型這里考慮兩個(gè)節(jié)點(diǎn)T1和T2與一個(gè)共同目的節(jié)點(diǎn)D間的無(wú)線協(xié)作通信系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)處于半雙工通信模式，即在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)發(fā)送和接收。在每一時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)T1和T2依次發(fā)送自己的信息到節(jié)點(diǎn)D。對(duì)每一節(jié)點(diǎn)，信息比特經(jīng)過(guò)編碼后，在協(xié)作模式下恰當(dāng)?shù)亟?jīng)過(guò)兩條獨(dú)立信道傳輸。兩節(jié)點(diǎn)用戶在第t個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生的信息分組計(jì)為和。在編碼協(xié)作下，每一分組被編碼兩次，一次是在源節(jié)點(diǎn)作為本地分組，另外一次是在協(xié)作節(jié)點(diǎn)作為中繼分組。對(duì)于信息分組，相應(yīng)的碼字為和。類似的對(duì)于信息分組有碼字和。自適應(yīng)信號(hào)重疊編碼協(xié)作分集處理如下。設(shè)在第t個(gè)時(shí)隙的第一部分，節(jié)點(diǎn)T1處于協(xié)作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)T1將本地碼字和前一時(shí)隙節(jié)點(diǎn)T2的中繼碼字分別調(diào)制生成本地和中繼信號(hào)，并傳輸兩個(gè)信號(hào)的歐式疊加信號(hào)。中繼信號(hào)和本地信號(hào)在疊加前分配有不同的功率，但兩信號(hào)的總功率保持不變。假設(shè)節(jié)點(diǎn)T1的疊加因子為，則節(jié)點(diǎn)T1將自己總功率的一部分用于中繼。在本地信號(hào)和中繼信號(hào)都采用BPSK調(diào)制下，協(xié)作模式下節(jié)點(diǎn)T1的發(fā)送信號(hào)為(1)由于本地信號(hào)和中繼信號(hào)分配有不同的功率，所以兩個(gè)BPSK信號(hào)的加權(quán)疊加構(gòu)成一個(gè)不對(duì)稱的4-PAM星座，如圖1所示。圖1 節(jié)點(diǎn)T1進(jìn)行重疊調(diào)制假設(shè)節(jié)點(diǎn)T1發(fā)送的信號(hào)被節(jié)點(diǎn)T2和D通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的塊衰落信道接收到。節(jié)點(diǎn)T2從接收信號(hào)中減去中繼信號(hào)，該信號(hào)對(duì)節(jié)點(diǎn)T2是已知的。然后從的噪聲衰落信號(hào)中譯出。節(jié)點(diǎn)D觀測(cè)到一個(gè)非對(duì)稱的4-PAM信號(hào)，然后通過(guò)軟解調(diào)（MAP）計(jì)算出和的對(duì)數(shù)似然比。對(duì)數(shù)似然比計(jì)算如下(2)這里是節(jié)點(diǎn)D的接收信號(hào)，是聯(lián)合解調(diào)的兩個(gè)符號(hào)，h為無(wú)線信道的增益，表示噪聲每維的方差。和是符號(hào)和的先驗(yàn)概率。這里認(rèn)為解調(diào)時(shí)無(wú)任何先驗(yàn)信息，即。節(jié)點(diǎn)D將的似然比屏蔽掉，將的似然比送入一個(gè)高碼率碼的譯碼器進(jìn)行譯碼，并將是否正確譯碼的結(jié)果通過(guò)一個(gè)信息比特及時(shí)反饋給節(jié)點(diǎn)T2來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)T2在下一時(shí)刻的發(fā)送信號(hào)。這里譯碼結(jié)果正確與否可通過(guò)CRC校驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果節(jié)點(diǎn)T2譯碼成功，且節(jié)點(diǎn)D反饋給節(jié)點(diǎn)T2的關(guān)于分組的譯碼結(jié)果為錯(cuò)誤，則在時(shí)隙t的第二部分，節(jié)點(diǎn)T2轉(zhuǎn)為協(xié)作模式，由正確譯得信息分組編碼生成中繼碼字，將其和本地碼字分別調(diào)制生成中繼和本地信號(hào)，并傳輸兩個(gè)信號(hào)的歐式疊加信號(hào)。節(jié)點(diǎn)T2的疊加因子為。如果節(jié)點(diǎn)T2對(duì)節(jié)點(diǎn)T1的分組的譯碼結(jié)果為錯(cuò)誤，或節(jié)點(diǎn)D反饋的關(guān)于分組的譯碼結(jié)果為正確，則節(jié)點(diǎn)T2轉(zhuǎn)為非協(xié)作模式，節(jié)點(diǎn)T2將自己全部的功率用于本地碼字的調(diào)制信號(hào)的發(fā)送。圖2 節(jié)點(diǎn)D對(duì)的譯碼為了使該協(xié)議能有效工作，節(jié)點(diǎn)T1（或T2）必須告知節(jié)點(diǎn)T2（或T1）自己發(fā)送的分組是否包含重疊數(shù)據(jù)。這可以通過(guò)在每一分組包含一個(gè)標(biāo)識(shí)信息比特來(lái)實(shí)現(xiàn)。該信息比特的引入對(duì)整個(gè)分組的長(zhǎng)度的影響幾乎可以忽略。這里認(rèn)為該標(biāo)識(shí)比特總能被正確接收。假設(shè)在第t個(gè)時(shí)隙的第二部分，節(jié)點(diǎn)T2處于協(xié)作狀態(tài)，目的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的信號(hào)采用軟解調(diào)計(jì)算出和的對(duì)數(shù)似然比。將的對(duì)數(shù)似然比屏蔽掉，通過(guò)利用和以前獲得的的對(duì)數(shù)似然比，采用一個(gè)針對(duì)低碼率碼的譯碼器對(duì)進(jìn)行譯碼判決。同時(shí)節(jié)點(diǎn)D將的似然比屏蔽掉，將的似然比送入一個(gè)高碼率碼的譯碼器進(jìn)行譯碼，并將是否正確譯碼的結(jié)果通過(guò)一個(gè)標(biāo)識(shí)信息比特及時(shí)反饋給節(jié)點(diǎn)T1來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)T1在下一時(shí)刻的發(fā)送信號(hào)。接收節(jié)點(diǎn)D對(duì)節(jié)點(diǎn)T1的信息的譯碼如圖2所示。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里假設(shè)接收節(jié)點(diǎn)已知信道的狀態(tài)信息，并采用相關(guān)解調(diào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)是用于中繼信號(hào)傳輸?shù)墓β时壤?，即疊加因子。如果中繼信號(hào)的功率太小，將導(dǎo)致分集增益的減小，相反太多的功率用于中繼，將會(huì)減小協(xié)作成功的概率，從而導(dǎo)致差的系統(tǒng)性能。在第三部分將對(duì)疊加因子對(duì)協(xié)作系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了分析。在重疊調(diào)制系統(tǒng)里，傳輸節(jié)點(diǎn)知道重疊因子，它可認(rèn)為是自身信號(hào)的干擾因子，然而目的節(jié)點(diǎn)D不知道這個(gè)干擾因子。因此從信息論角度講，這種系統(tǒng)可認(rèn)為是一種dirty-paper編碼5。3 仿真結(jié)果本文對(duì)兩個(gè)協(xié)作用戶下的自適應(yīng)重疊編碼協(xié)作通信方式在不同信道狀態(tài)下的性能進(jìn)行了仿真分析，并與傳統(tǒng)的信號(hào)重疊調(diào)制編碼協(xié)作下系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。這里考慮塊衰落信道情況。本地碼字和對(duì)應(yīng)的生成矩陣為15, 178，中繼碼字和對(duì)應(yīng)的生成矩陣為13, 158，碼率為1/2。在中繼信號(hào)不存在時(shí)（非協(xié)作模式下），目的節(jié)點(diǎn)采用1/2碼率生成矩陣為15, 178 的譯碼器對(duì)其進(jìn)行譯碼。當(dāng)中繼信號(hào)存在時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)采用1/4碼率生成矩陣為15, 17, 13, 158的譯碼器進(jìn)行譯碼。設(shè)所有信道，包括節(jié)點(diǎn)T1和T2間的兩個(gè)信道，獨(dú)立同分布，服從方差為1的瑞利塊衰落。所有信道的平均SNR相同，即。每一信息分組長(zhǎng)度為K512bit，包含500個(gè)信息比特，外加12位的CRC校驗(yàn)比特用于協(xié)作節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)譯碼結(jié)果是否正確。圖3是在疊加因子和 情況下自適應(yīng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作系統(tǒng)和傳統(tǒng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作通信以及非協(xié)作通圖3 瑞利信道下分組錯(cuò)誤概率（用戶間信道相互獨(dú)立，用戶上行信噪比相同，）信下的性能比較。從圖中可以看出自適應(yīng)方式較傳統(tǒng)的非自適應(yīng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作方式性能有了很大的提升。在處，當(dāng)b35%時(shí)，自適應(yīng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作較傳統(tǒng)的協(xié)作方式有3.8dB的增益，當(dāng)b10%時(shí)，自適應(yīng)重疊調(diào)制編碼協(xié)作較傳統(tǒng)的協(xié)作方式有0.8dB的增益。此外從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在低信噪比時(shí)自適應(yīng)協(xié)作方式與非協(xié)作方式相比性能相近，而不像傳統(tǒng)的協(xié)作方式下有較大的性能損失。在傳統(tǒng)的協(xié)作方式中疊加因子對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大，而在自適應(yīng)方式中也存在著重要的影響。圖4是平均信噪比為20dB時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響情況。從圖中可以看出疊加因子對(duì)自適應(yīng)協(xié)作方式下系統(tǒng)性能的影響不像傳統(tǒng)協(xié)作方式那么明顯，并且兩種方式下，最優(yōu)的疊加因子值是不一致的。傳統(tǒng)方式的最優(yōu)疊加因子值是0.12，而自適應(yīng)協(xié)作下的最優(yōu)疊加因子值是0.25。圖4 分組錯(cuò)誤概率對(duì)疊加因子（平均信噪比為20dB）4 結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種自適應(yīng)信號(hào)重疊編碼協(xié)作通信模式。通過(guò)第一時(shí)間目的節(jié)點(diǎn)的反饋，中繼節(jié)點(diǎn)調(diào)整自己的工作模式，使得有限的能量得到有效的利用。瑞利塊衰落信道下的仿真和分析表明在相同的系統(tǒng)帶寬和發(fā)送總功率下該方式可有效的提高系統(tǒng)的性能。下一步將對(duì)其作進(jìn)一步的研究，考慮其他編碼模式（如TURBO碼和LDPC碼）下自適應(yīng)協(xié)作通信系統(tǒng)的性能，并希望從理論上對(duì)其性能進(jìn)行分析。此外將對(duì)基于協(xié)作通信模式下的自動(dòng)重傳系統(tǒng)進(jìn)行理論研究和分析。參考文獻(xiàn)：1NOSRATINIA A, HUNTER T E, HEDAYAT A. 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